第六章、总线

文章目录

    • 一、总线概述
      • 1、概览
      • 2、总线的定义
      • 3、总线的特性/分类
        • 3.1、串行总线与并行总线
        • 3.2、片内总线/系统总线/通信总线
        • 3.2、系统总线结构
    • 二、性能指标
      • 1、多种性能指标
        • 例题

一、总线概述

1、概览

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如上图,4根信号线组成“一根”总线,所有硬件部件都可以通过这根总线传递数据可并行发送4bit数据。同一时刻只能有一个部件发送数据但是可有多个部件接受数据

2、总线的定义

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
共享:是指总线上可以挂接多个部件,各个部件之间互相交换的信息都可以通过这组线路分时共享。
分时:是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息,如果系统中有多个部件,则它们只能分时地向总线发送信息。
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为什么要用总线?
早期计算机外部设备少时大多采用分散连接方式,不易实现随时增减外部设备。
为了更好地解决I/0设备和主机之间连接的灵活性问题,计算机的结构从分散连接发展为总线连接

3、总线的特性/分类

1.机械特性:尺寸、形状、管脚数、排列顺序
2.电气特性:传输方向和有效的电平范围
3.功能特性:每根传输线的功能(地址、数据、控制)
4.时间特性:信号的时序关系

3.1、串行总线与并行总线

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优点:只需要一条传输线,成本低廉,广泛应用于长距离传输;应用于计算机内部时,可以节省布线空间
缺点:在数据发送和接收的时候要进行拆卸和装配,要考虑串行-并行转换的问题。
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优点:总线的逻辑时序比较简单,电路实现起来比较容易
缺点:信号线数量多,占用更多的布线空间;距离传输成本高昂;由于工作频率较高时,并行的信号线之间会产生严重干扰,对每条线等长的要求也越高,所以无法持续提升工作频率。

3.2、片内总线/系统总线/通信总线

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  1. 片内总线
    片内总线是芯片内部的总线。它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间、寄存器与ALU之间的公共连接线。

  2. 系统总线
    系统总线是计算机系统内各功能部件(CPU、主存、1/O接口)之间相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同,又可分为3类:数据总线、地址总线和控制总线
    数据总线:
    传输各功能部件之间的数据信息,包括指令和操作数;位数(根数)与机器字长、存储字长有关;双向
    地址总线:
    传输地址信息,包括主存单元或I/0端口的地址;位数(根数)与主存地址空间大小及设备数量有关;单向
    控制总线:
    传输控制信息;一根控制线传输一个信号;有出:CPU送出的控制命令;有入:主存(或外设)返回CPU的反馈信号。单向

  3. 通用总线
    通信总线是用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统(如远程通信设备、测试设备)之间信息传送的总线,通信总线也称为外部总线。

3.2、系统总线结构

单总线结构
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结构:CPU、主存、I/O设备(通过I/O接口)都连接在一组总线上,允许I/O设备之间、I/O设备和CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
优点:结构简单,成本低,易于接入新的设备。
缺点:带宽低、负载重,多个部件只能争用唯一的总线,且不支持并发传送操作
双总线结构
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通道是具有特殊功能的处理器,能对I/0设备进行统一管理。通道程序放在主存中

结构:双总线结构有两条总线,一条是主存总线,用于CPU、主存和通道之间进行数据传送;另一条是1/0总线,用于多个外部设备与通道之间进行数据传送。
优点:将较低速的I/0设备从单总线上分离出来,实现存储器总线和I/0总线分离。
缺点:需要增加通道等硬件设备。

三总线结构
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结构:三总线结构是在计算机系统各部件之间采用3条各自独立的总线来构成信息通路,这3条总线分别为主存总线1/0总线和直接内存访问DMA总线
优点:提高了I/0设备的性能,使其更快地响应命令,提高系统吞吐量
缺点:需要增加通道等硬件设备。

二、性能指标

1、多种性能指标

  1. 总线的传输周期(总线周期)
    一次总线操作所需的时间(包括申请阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段),通常由若干个总线时钟周期构成。
  2. 总线的时钟周期
    机器的时钟周期。计算机有一个统一的时钟,以控制整个计算机的各个部件,总线也要受此时钟的控制。
  3. 总线的工作效率
    总线上各种操作的频率,为总线周期的倒数。若总线周期=N个时钟周期,则总线的工作频率=时钟频率/N。实际上指一秒内传送几次数据。
  4. 总线的时钟频率
    即机器的时钟频率,为时钟周期的倒数。若时钟周期为T,则时钟频率为1/T。实际上指一秒内有多少个时钟周期。
  5. 总线宽度
    又称为总线位宽,它是总线上同时能够传输的数据位数,通常是指数据总线的根数,如32根称为32位(bit)总线。
  6. 总线带宽
    可理解为总线的数据传输率,即单位时间内总线上可传输数据的位数,通常用每秒钟传送信息的字节数来衡量,单位可用字节/秒(B/s)表示。
    在这里插入图片描述
  7. 总线复用
    总线复用是指一种信号线在不同的时间传输不同的信息。可以使用较少的线传输更多的信息,从而节省了空间和成本。
  8. 信号线数
    地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的总和称为信号线数。
例题

例.某同步总线采用数据线和地址线复用方式,其中地址/数据线有32根,总线时钟频率为66MHz,每个时钟周期传送两次数据(上升沿和下降沿各传送一次数据)。

1)该总线的最大数据传输率(总线带宽)是多少?
2)若该总线支持突发(猝发)传输方式,传输一个地址占用一个时钟周期,则一次“主存写”总线事务传输128位数据所需要的时间至少是多少?
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